page1: 人形机器人的成长史
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今天我们讨论的课题是人形机器人的成长史, 从 360 度观察人形机器人的成长, 让大家了解人形机器人的过去, 现在和未来.
人形机器人的创作在最近的二十年出现了很多典型的机器人系统, 其中人形机器人的巅峰在日本德国和日本, 但是不同地方的人形机器人研究的侧重点有很大不同. 欧美的人形机器人研究外观属于力量型, 一般用于航天或者军事等领域. 日本的人形机器人主要集中在生活领域.
Page2: DLR robot
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德国宇航局 DLR 的机器人主要是以上三款, 分别是 David, Rollin Justin 和 TORO. 以 Rollin Justin 为例, Rollin Justin 高度 195 cm, 长度 82 cm, 宽度 82 cm, 重量 199 kg, 速度 6 km/h, 能够操纵硬物体和软物体. 配备兼容臂和碰撞检测. 具有自主和遥操作模式. 自 1995 年以来, DLR 一直在开发轻巧的机器人手臂和手. 2006 年, 研究人员结合了两只手臂, 手和一个躯干, 制造了第一个安装在桌子上的 Justin 上身. 2008 年, 增加了带轮底座, 并推出了 Rollin'Justin. 2012 年, 当前系统配备了针对移动基地的改进控制系统和更新的计算平台.
Page3: IIT robot
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意大利 IIT 的机器人典型代表是 icub, iCub 是一种儿童大小的类人机器人, 可以爬行, 抓取物体并与人互动. 它被设计为开放源代码平台, 用于机器人技术, 人工智能和认知科学的研究. 高度 104 cm, 重量 25 kg. 由欧洲委员会的认知系统和机器人技术计划部分资助的 RobotCub 联盟于 2004 年开始开发人形机器人 iCub. 第一个版本于 2008 年发布. 随后推出了新版本, 升级了机器人的头部力学, 上身皮肤和感测能力. 将来的版本将重点关注双足运动.
Page4: Japan robot
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日本的人形机器人典型代表式 Asimo 和 HRP-5. 以 ASIMO 为例, 其能够在人类环境中导航, 识别面孔并理解语音. 基于 ZMP(零力矩点)控制方法的双足步行. 高度 130 cm, 宽度 45 cm, 重量 48 kg, 其软件系统基于实时操作系统 Vxworks 开发, 本田从 1986 年开始开发人形机器人. 在随后的二十年中, 该公司制造了大约十二个原型. 早期的机器人 (模型 E1 至 E6) 专注于腿部运动. 接下来, 本田的工程师向机器人添加了头部, 躯干和手臂, 以改善平衡并增加功能. 1993 年, 本田推出了第一款人形机器人 P1, 这是一种相当大的机器, 1.9 m 和 175 kg.P1 随后是 1996 年的 P2 和 1997 年的 P3. 2000 年 10 月, 本田推出了现在闻名的 Asimo, 并于 2004 年将 Asimo 引入卡内基. 梅隆 (Carnegie Mellon) 的机器人名人堂, 这是第一个展示真实的类人机动性的机器人, 第二代阿西莫 (Asimo) 于 2005 年问世. 本田推出了改进的设计, 称其为 "全新的 Asimo".
Page5: USA robot
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美国的机器人研究代表主要是 altas 人形机器人以及机器人宇航员. 以 Robonaut 2 为例说明: Robonaut 2 是一种人形生物, 已发送到国际空间站, 以帮助宇航员完成各种任务. 成功执行任务后, 它可以抓住物体, 轻按开关和五名机组人员. 高度 101.6 cm, 宽度 78.74 cm, 重量 149.7 kg, 超过 350 个传感器, 包括手中的定制六轴称重传感器, 遮阳板后方的四个摄像头 (两个用于立体视觉和两个辅助) 以及在嘴部区域用于深度感知的红外摄像头.
Robonaut 项目始于 1997 年, 目标是开发可帮助宇航员完成各种操纵任务的人形机器人. 结果就是 R1, 这是一个原型机器人, 可以执行维护任务或安装在一组车轮上. 2007 年, 美国宇航局约翰逊航天中心和通用汽车联手开发了下一代 Robonaut. R2 于 2010 年揭幕, NASA 的任务管理人员印象深刻, 以至于他们决定在航天飞机任务中腾出空间, 然后将机器人送到国际空间站. R2 于 2011 年 2 月被发现号航天飞机运载到国际空间站. 目前, 它的主要工作是向工程师展示这种灵巧机器人在太空中的行为, 尽管希望通过升级最终使 Robonaut 接管过于危险或重复的任务宇航员, 以及在站外的冒险活动, 以帮助太空行走者进行维修和执行科学工作.
Page 6: 我们如何实现任务
Page 7: 正确认知自己 -- 机器人系统建模
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人形机器人之所以可以完成众多类人化的操作控制问题, 主要在于人形机器人可以正确的认知自己, 与人类认知自身性格类似, 人形机器人主要需要认知自己的是自身的质量, 转动惯量, 质心位置以及动力学特性. 机器人一般采用拓扑描述方式.
机器人的运动学方程可以通过雅可比来映射关节空间和笛卡尔空间速度关系. 机器人的速度属于递推关系.
Page8: 抗干扰 Push-Recovery
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'在小推的情况下, 人类倾向于使用脚踝策略 如图所示, 将 CP 带回到所需位置 图 a. 但是, 脚和地板之间的接触 有单边约束, 如果踝关节扭力变为 大, CoP 位于支撑多边形的边缘 脚开始旋转. 鞋帮的角动量 可以在扰动方向上产生物体 如图所示, 在髋关节或手臂关节上施加扭矩 在图 b 中. 此策略也称为 CMP 平衡. 随着干扰的增加, 有用的策略将是 步进图 c. 但是, 可能会发生几种情况无法踩踏的地方. 在这种情况下, 平衡 通过髋关节和踝关节策略进行恢复是必要的. 人类对逐渐增加的反应 干扰可分为三种基本策略:(1)踝关节策略 (2) 髋关节策略 (3) 踩踏策略
Page9 平衡能力 ZMP
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人形机器人的平衡能力, 首先要说 ZMP 以及支撑多边形的概念. 机器人的平衡分为静态平衡和动态平衡. 对于静态平衡, 仿人机器人步行过程中, 机器人相对于支撑脚始终处于静力学平衡状态, 即机器人的质心在地面上的投影始终不超过支撑多边 fangrenbn 形的范围. 对于动态平衡: 仿人机器人步行过程中, 机器人相对于支撑脚始终处于动力学平衡状态, 即机器人的质心在地面上的投影可以在某些时刻超过支撑多边 fangrenbn 形的范围.
人形机器人的平衡控制主要有两种主流的控制方法, 一种是基于 LIPM 和 ZMP 的平衡策略, 其中的典型代表是 ASIMO,HRP 系列, WABIN,NAO,HUBO. 另一种是基于 LIPM 和飞轮以及 CP 控制, 其中典型代表是 Altas 和 cassie
Page10: 全身运动模式生成
Page11: 全身运动模式生成
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人形机器人区分与其他类型的机器人的一个很大的不同是, 人形机器人需要表现出类人化的动作, 对于类人化的动作, 人形机器人需要借助全身运动模式的生成. 人形机器人全身运动模式的生成主要包括三个部分: 粗略的全省运动模式生成 ->全身运动模式变换 ->传感器反馈控制. 通过以上三部可以将人类的舞蹈动作, 起立下蹲动作映射给机器人, 并且机器人通过全身运动模式的变换, 使得人体的动作被自身消化, 使得自己在平衡的同时执行人体动作.
而人体的粗略的全身运动模式生成主要的方法有三种, 分别是基于运动模式的生成, 基于 GUI 的生成法以及多维空间高速搜索.
Page 12 保证全身运动模式稳定变换方法
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人形机器人保证全身运动模式的稳定变换方法, 主要是动力学过滤器和自动平衡器. 对于人体的运动数据库, 经过上层控制器后, 转化到机器人的优化控制器, 其中优化控制器主要需要根据机器人自身的状态对粗略的轨迹进行修正, 使得机器人可以在自身平衡和防止碰撞的约束条件下完成特定的动作. 而自动平衡器则是机器人中心保持在通过支撑多边形内的一给定点的铅垂线上, 使得绕过这一给定点的惯性力矩始终保持在一定的范围内.
Page13 No.3 我们的进化史
Page14 关键部件进化史
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人形机器人的关键部位主要包括人形机器人的腿部, 人形机器人的臂端, 以及人形机器人的手部设计. 但是对于各个部件, 其实都有很多相对来说成熟的产品设计, 并且也一致在进化. 对于人形机器人的腿部的进化, 由一开始的单足跳跃, 到双足跳跃, 以及双足后空翻, 再到后期的稳定的双足行走形态. 对于机械臂的研发, 从工业机器人到协作机器人, 从少自由度到 6 自由度以及 7 自由度机械臂的研发, 而灵巧手的研发, 从早期的驱动外置发展到现在的驱动内置灵巧手. 机器人的关键部件也一直在进化.
Page15 进化史
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从上图中可以看出人类的进化史, 从四肢爬行到双足行走, 再到双腿奔跑. 从不会使用工具到完成各种工具制作. 同样的机器人的进化也是沿着人类的进化史在演进. 一方面, 机器人要能够实现稳定的行走和奔跑, 另一方面, 机器人需要制作各种工具用于完成更加复杂的任务和工作, 这个也许是机器人下一阶段的主要研发目标.
Page 16 我们现在在做什么
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目前的机器人完成的操作包括后空翻, 端茶倒水, 开关门, 开关阀门, 踢球以及协同搬运等任务. 机器人在人类生活中必将发挥更多的作用.
Page17 我们未来的使命
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关于人形机器人的未来使命. 我认为主要有以下两点需要重点突破.
一方面, 人形机器人的一个重点发展方向是作为人类的忠诚伴侣和守护者, 像超能查派一样守护人类, 为人类生存战斗; 像机器人大白一样作为人类的忠诚伴侣. 人机协同共生.
另一方面, 人形机器人可以替代人类进行外太空探索和星际航行, 也许第一批到达火星的是我们的机器人宇航员, 机器人宇航员代替人类完成火星探索任务, 并将画面实时传送给地面人员. 也许最终替代人类进行星际航行的是我们自己研发的宇航员.
期待机器人发挥更大的作用.
期待下次交流
附: 宇航员伴侣 -- 小蜜蜂机器人, 大白机器人, 机器人瓦力
宇航员伴侣机器人
大白机器人
机器人瓦力
来源: https://www.qcloud.com/developer/article/1774251